隨著電力電子器件向著更高功率密度、更小體積和更高集成度等方向發(fā)展，特別是以SiC和GaN為代表的第三代半導(dǎo)體功率器件具備更高的工作溫度、功率密度和工作電壓，使用時(shí)芯片結(jié)溫可達(dá) 200℃以上，這已超過(guò)傳統(tǒng)封裝材料能夠長(zhǎng)期服役的溫度范圍，因此，開發(fā)低溫連接、高溫服役的高可靠性無(wú)鉛互連材料具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)金屬中高導(dǎo)電和導(dǎo)電率的銀或者銅的燒結(jié)是有前景的方法。識(shí)別下方二維碼，關(guān)注公眾號(hào)，通過(guò)底部菜單申請(qǐng)加入碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈微信群。
一、燒結(jié)銅和燒結(jié)銀、高鉛焊料的對(duì)比
近年來(lái)，為滿足芯片服役的溫度要求，相繼研究和開發(fā)了以銀和銅等顆粒為填料的銀膏和銅膏，部分已用于進(jìn)行功率芯片封裝，以實(shí)現(xiàn)器件“低溫?zé)Y(jié)，高溫服役”的目的。金屬銀本身具有高熔點(diǎn)和高導(dǎo)熱性，其熱導(dǎo)率可以達(dá)到200 W/mK以上，遠(yuǎn)超過(guò)錫膏中使用的任何合金，目前銀膏的規(guī)?；苽浜蜔Y(jié)工藝均較為成熟，并已有商業(yè)化產(chǎn)品；雖然銀膏燒結(jié)接頭具有優(yōu)異的電互連性能，但銀膏材料價(jià)格較昂貴，且燒結(jié)接頭容易出現(xiàn)遷移短路等問(wèn)題。
表??燒結(jié)銅與燒結(jié)銀、高鉛焊料的對(duì)比??來(lái)源：日立
圖??燒結(jié)銅與燒結(jié)銀、高鉛焊料的功率循環(huán)測(cè)試結(jié)果對(duì)比
燒結(jié)銅膏是新型功率器件封裝互連中理想的連接材料之一。與銀相比，銅熔點(diǎn)更高，燒結(jié)銅膏具有更好熱循環(huán)能力，燒結(jié)接頭電氣性能優(yōu)良且抗電遷移性能高，原材料成本低等特點(diǎn)，將其用于功率芯片封裝可大幅度降低制造成本，有利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，可以與Cu、Ag、Au、Ni高強(qiáng)度接合，不含對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)。
二、燒結(jié)銅技術(shù)或成未來(lái)趨勢(shì)
燒結(jié)銅技術(shù)是采用銅顆粒作為半導(dǎo)體芯片的鍵合材料，銅顆粒在燒結(jié)過(guò)程中界面銅原子互擴(kuò)散形成燒結(jié)銅接合層。使用燒結(jié)銅需要經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：①印刷燒結(jié)銅；②貼芯片；③燒結(jié)銅烘干燒結(jié)。
與錫焊料的熔焊機(jī)理不同，燒結(jié)銅連接技術(shù)通過(guò)顆粒尺度效應(yīng)促進(jìn)顆粒表面原子擴(kuò)散，進(jìn)而在較低的溫度下進(jìn)行焊接，焊接后形成的塊體中顆粒尺度效應(yīng)小時(shí)，重熔溫度恢復(fù)到塊體銅的熔點(diǎn)，保證了其高溫可靠性。
燒結(jié)銅連接技術(shù)中的關(guān)鍵是如何在較低的燒結(jié)溫度下（＜300℃）獲得可靠的燒結(jié)結(jié)構(gòu)。主要難點(diǎn)有兩個(gè)：
①銅的易氧化性，生成的氧化銅層不易熱分解，阻礙銅原子的擴(kuò)散；
②銅原子的低擴(kuò)散系數(shù)，加大了銅顆粒的燒結(jié)難度。
因此，銅接頭的燒結(jié)通常需要是在還原氣氛中（H2）在較高溫度（＞300℃）或高壓下（＞5MPa）進(jìn)行，以消除表面氧化物的有害影響，但這限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。
圖???燒結(jié)銅膏與接合界面示意圖，來(lái)源：Resonac
可能解決方法是進(jìn)行表面處理，例如在銅顆粒上涂覆金屬層，也有不少研究指出利用甲酸（CH2O2）、抗壞血酸（C6H8O6）等短鏈羧酸可去除銅顆粒表面氧化物，促進(jìn)銅原子在燒結(jié)過(guò)程中的擴(kuò)散。此外在銅膏中引入粒徑在10nm以下的銅納米顆粒也可以顯著降低燒結(jié)溫度和燒結(jié)壓力，并獲得良好的互連接頭。目前已有廠商例如賀利氏、三井金屬等開發(fā)出了加壓型/無(wú)加壓型的燒結(jié)銅膏技術(shù)。
圖??燒結(jié)銅技術(shù)，來(lái)源日立
有研究表明，即使銅膏燒結(jié)后顯微組織致密度比燒結(jié)銀更低，但其功率循環(huán)壽命卻為相應(yīng)燒結(jié)銀膏的兩倍。這說(shuō)明銅膏在高壓高頻器件封裝中具有更為廣闊的應(yīng)用前景。日立采用燒結(jié)銅技術(shù)制作全SiC功率器件（3.3 kV、1000 A）的輸出密度可達(dá)47 kVA/cm2，比傳統(tǒng)技術(shù)提高25%（2019年數(shù)據(jù)），燒結(jié)銅有望成為功率半導(dǎo)體封裝互連技術(shù)趨勢(shì)。
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資料來(lái)源：
1.Effect of Sintering Conditions on the Mechanical Strength of Cu-Sintered Joints for High-Power Applications，Jeong-Won Yoon and Jong-Hoon Back；
2.芯片互連用粒徑雙峰分布納米銅膏的低溫?zé)o壓燒結(jié)納連接機(jī)理和接頭可靠性，黃海軍，周敏波等；
3.芯片互連用低溫低壓銅-銅燒結(jié)鍵合技術(shù)研究，肖宇博；
4.功率器件芯片互連用低溫?zé)Y(jié)銅基電子漿料研究進(jìn)展，徐恒；
